JP6746441B2 - コーティング法及びコーティング膜並びにタービンシュラウド - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、ガスタービンのシュラウドの内面にコーティング膜を形成するコーティング法、このコーティング法により形成されたコーティング膜、コーティング法によりコーティング膜が設けられたタービンシュラウドに関するものである。
例えば、ヘリコプターやジェット機などの航空機エンジンとしてガスタービンが使用されている。この航空用のガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。そのため、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮機により圧縮することで高温・高圧の圧縮空気を生成し、燃焼器によりこの圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスによりタービンを駆動する。そして、ヘリコプターの場合、このタービンの駆動力によりロータを回転し、ジェット機の場合、排気ガスのエネルギにより推力を得る。
このガスタービンでは、その効率を向上させるために燃焼器での燃焼温度を高く設定しており、高温の燃焼ガス（排気ガス）に晒されるタービンの動翼、静翼、シュラウドなどは、その表面に遮熱コーティング膜（ＴＢＣ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｂａｒｒｉｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇ）が設けられている。遮熱コーティング膜とは、母材の表面にボンドコートを介してトップコートが設けられたものであり、トップコートは、熱伝導率の小さい溶射材を溶射することで形成する。
ところで、航空機エンジンの高効率化のためには、軽量で且つ耐熱性の優れた材料を利用することが求められる。そこで、金属系耐熱材料の特性を凌駕するセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ：Ｃｅｒａｍｉｃｓ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ）を適用することが検討されている。即ち、ＣＭＣで製作されたシュラウドの内面に耐熱性コーティング層が形成される。この場合、ＣＭＣとトップコート（例えば、ジルコニアトップコート）は、それぞれの熱膨張係数が相違することから、ＣＭＣとトップコートとの間に中間の熱膨張係数を有するボンドコートを介在させることで熱応力を低減させている。しかし、ＣＭＣにアルミナコーティング材を溶射してボンドコートを形成すると、アルミナコーティング材が施工直後にアモルファスとなり、使用温度で結晶化してクラックを生じてしまうおそれがある。
そこで、耐久性が高いボンドコートを形成する方法として、粉末スラリーを塗布もしくはデッピングした後に焼結する方法がある。このコーティング方法として、例えば、下記特許文献１に記載されたものがある。特許文献１に記載されたコーティング方法は、微粒アルミナ粉を分散媒及び分散剤によって分散処理した後、粗粒アルミナ粉を混合し、生成したコーティング材料のスラリーを基材の表面に塗布して乾燥させた後、熱処理するものである。
特開平１０−３３０９５８号公報
上述した従来のコーティング方法は、微粒アルミナ粉と粗粒アルミナ粉を混合して生成したコーティング材料のスラリーを基材の表面に塗布して乾燥させた後に熱処理するものである。微粒アルミナ粉に対して粗粒アルミナ粉を混合すると、熱処理時の焼結収縮を抑制することができるものの、粗粒アルミナ粉によりボードコートの内部での粒子間の結合力が弱くなり、ボンドコートの表面にコーティング材を溶射するとき、トップコートがボンドコートと共に剥離してしまうという問題が生じる。
本発明は上述した課題を解決するものであり、耐熱性及び密着性の向上を図るコーティング法及びコーティング膜並びにタービンシュラウドを提供することを目的とする。
上記の目的を達成するための本発明のコーティング法は、酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含むスラリーを表面側に向けて粗粒比率が低くなるように付着させるスラリー付着工程と、前記スラリーが付着された前記母材を熱処理してボンドコートを形成するボンドコート形成工程と、前記ボンドコート上にセラミックスを溶射してトップコートを形成するトップコート形成工程と、を有することを特徴とするものである。
従って、酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含むスラリーを付着させた後に熱処理してボンドコートを形成し、このボンドコート上にセラミックスを溶射してトップコートを形成する。このとき、ボンドコートは、スラリーの表面側に向けて粗粒比率が低くなるようにスラリーが付着される。そのため、ボンドコートは、母材側で粗粒セラミックスが多く含まれるものとなり、焼結収縮により発生する応力を緩和することができ、トップコート側で粗粒セラミックスが少なくなることで、セラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高硬度となり、トップコート形成時におけるエロージョンを抑制することができる。その結果、コーティング膜の耐熱性及び密着性を向上することができる。
本発明のコーティング法では、前記スラリー付着工程は、前記母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが予め設定された第１比率で混合された第１スラリーを付着させる第１スラリー付着工程と、前記第１スラリーの表面に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが前記第１比率より粗粒比率が低い第２比率で混合された第２スラリーを付着させる第２スラリー付着工程と、を有することを特徴としている。
従って、母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスが第１比率で混合された第１スラリーを付着させ、第１スラリーの表面に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが第１比率より粗粒比率が低い第２比率で混合された第２スラリーを付着させることで、母材側の第１ボンドコートとトップコート側の第２ボンドコートとの粗粒比率を容易に異ならせることができ、コーティング作業の簡素化及び低コスト化を図ることができる。
本発明のコーティング法では、前記第１スラリーは、粗粒比率が６０％〜８０％の範囲にあり、前記第２スラリーは、粗粒比率が４０％〜６０％の範囲にあることを特徴としている。
従って、第１ボンドコートと第２ボンドコートの各粗粒比率を最適値に設定することで、ボンドコート全体で焼結収縮により発生する応力を緩和することができると共に、セラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高硬度となり、トップコート形成時におけるエロージョンを抑制することができる。
本発明のコーティング法では、前記酸化物系セラミックマトリックス複合材料は、アルミナ・シリカ系酸化物系セラミックマトリックス複合材料であり、前記粗粒セラミックスと前記微粒セラミックスは、アルミナ系粉体であることを特徴としている。
従って、ボンドコートのコーティング材として、母材とトップコートの各熱膨張係数の中間位置にある熱膨張係数のセラミックスを適用することとなり、焼結時に発生する熱応力の影響を低減することができる。
本発明のコーティング法では、前記酸化物系セラミックマトリックス複合材料は、純アルミナ系酸化物系セラミックマトリックス複合材料であり、前記粗粒セラミックスと前記微粒セラミックスは、アルミナ系粉体及びジルコニア系粉体であることを特徴としている。
従って、ボンドコートのコーティング材として、母材とトップコートの各熱膨張係数の中間位置にある熱膨張係数のセラミックスを適用することとなり、焼結時に発生する熱応力の影響を低減することができる。
本発明のコーティング法では、前記トップコートは、ジルコニアアブレーダブルトップコートであることを特徴としている。
従って、トップコートをジルコニアアブレーダブルトップコートとすることで、トップコートが自己摩耗型衝撃緩衝機能を得ることとなり、周辺部材との接触時にトップコートが摩耗して衝撃力を緩和することができ、周辺部材の摩耗や破損を防止することができる。
また、本発明のコーティング膜は、酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含むコーティング材が表面側に向けて粗粒比率が低くなるように焼結されたボンドコートと、前記ボンドコート上にセラミックスが溶射されて形成されたトップコートと、を備えることを特徴とするものである。
従って、ボンドコートは、表面側に向けて粗粒比率が低くなるようにコーティング材が焼結されたことで、母材側で粗粒セラミックスが多く含まれるものとなり、焼結収縮により発生する応力を緩和することができ、トップコート側で粗粒セラミックスが少なくなることで、セラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高光度となり、トップコート形成時におけるエロージョンを抑制することができる。その結果、コーティング膜の耐熱性及び密着性を向上することができる。
本発明のコーティング膜では、前記ボンドコートは、粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが予め設定された第１比率で混合された第１コーティング材が焼結された第１ボンドコートと、前記第１ボンドコートの表面に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが前記第１比率より粗粒比率が低い第２比率で混合された第２コーティング材が焼結された第２ボンドコートと、を備えることを特徴としている。
従って、母材側の第１ボンドコートとトップコート側の第２ボンドコートとの粗粒比率を容易に異ならせることができ、コーティング作業の簡素化及び低コスト化を図ることができる。
また、本発明のタービンシュラウドは、内面に前記コーティング膜が設けられることを特徴とするものである。
従って、ボンドコートは、母材側で焼結収縮により発生する応力を緩和することができ、トップコート側でセラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高硬度となり、トップコート形成時におけるエロージョンを抑制することができる。その結果、コーティング膜の耐熱性及び密着性を向上することができ、タービンシュラウドの耐久性を向上することができる。
本発明のコーティング法及びコーティング膜並びにタービンシュラウドによれば、酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上にボンドコートとトップコートを形成するとき、ボンドコートは、スラリーの表面側に向けてセラミックスの粗粒比率が低くなるので、母材側で粗粒セラミックスが多く含まれるものとなり、焼結収縮により発生する応力を緩和することができ、トップコート側で粗粒セラミックスが少なくなることで、セラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高硬度となり、トップコート形成時におけるエロージョンを抑制することができる。その結果、コーティング膜の耐熱性及び密着性を向上することができる。
図１は、本実施形態の航空用エンジンのシュラウドを表す要部断面図である。 図２は、本実施形態のコーティング膜を表す断面図である。 図３は、コーティング方法を表すフローチャートである。 図４は、コーティング材の粗粒比率に対する収縮率を表すグラフである。 図５は、コーティング材の粗粒比率に対する相対密度を表すグラフである。 図６は、ボンドコートにおける実施例と比較例との評価を表す表である。
以下に添付図面を参照して、本発明に係るコーティング法及びコーティング膜並びにタービンシュラウドの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。
図１は、本実施形態の航空用エンジンのシュラウドを表す要部断面図である。
本実施形態において、ガスタービンとしての航空用エンジンは、ファンケーシングと本体ケーシングとを有し、ファンケーシング内にファンが収容され、本体ケーシング内に圧縮機と燃焼器とタービンが収容されて構成されている。
圧縮機は、低圧コンプレッサと高圧コンプレッサとを有している。燃焼器は、圧縮機より圧縮空気の長方向の下流側に配置され、周方向に複数配置されている。タービンは、燃焼器より燃焼ガスの流れ方向の下流側に配置され、高圧タービンと低圧タービンとを有している。
図１に示すように、本体ケーシング１１は、円環形状をなし、内側に円環形状をなす燃焼器ライナ１２が一体的に設けられており、この燃焼器ライナ１２の内側に主流路１３が形成されている。そして、本体ケーシング１１と燃焼器ライナ１２は、その間に冷却用の次空気流路１４が設けられている。本体ケーシング１１（燃焼器ライナ１２）は、内側の主流路１３にタービンロータ１５が配置されている。このタービンロータ１５は、燃焼器からの燃焼ガスの膨張によって駆動されると共に、高圧コンプレッサを連動して駆動するものである。本体ケーシング１１は、タービンロータ（動翼）１５の外側に位置して円環形状をなすシュラウド１６が設けられ、燃焼器ライナ１２に支持されている。
図２は、本実施形態のコーティング膜を表す断面図である。図３は、コーティング方法を表すフローチャートである。
図２に示すように、本実施形態のコーティング膜３１は、母材３２の表面に第１ボンドコート４１と第２ボンドコート４２とからなるボンドコート３３が形成され、ボンドコート３３の表面にトップコート３４が形成されて構成されている。上述した航空用エンジンにて、母材３２は、本体ケーシング１１の内側に配置されるシュラウド１６であり、シュラウド１６の内周面にコーティング膜３１が設けられる。
母材３２は、酸化物系セラミックマトリックス複合材料（以下、酸化物ＣＭＣと称する。）であって、アルミナ・シリカ（Ａｌ２Ｏ３−ＳｉＯ２）系酸化物ＣＭＣ、または、純アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）系酸化物ＣＭＣが適用される。
ボンドコート３３は、第１ボンドコート４１と第２ボンドコート４２とから構成されている。このボンドコート３３は、母材３２上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含むスラリーを表面側に向けて粗粒比率が低くなるように付着させ、このスラリーが付着された母材３２を熱処理することで、スラリーを焼結させて形成する。本実施形態では、粗粒比率が異なる２つのボンドコート４１，４２によりボンドコート３３を形成している。
トップコート３４は、ジルコニアアブレーダブル（自己摩耗型衝撃緩衝材）トップコートであり、ボンドコート３３上にセラミックスとしてのジルコニアを溶射してトップコート３４を形成する。この場合、溶射粉末として、ＹＳＺ（イットリア安定化ジルコニア）を適用した。但し、その他に、酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）で部分安定化させたジルコニア（ＺｒＯ２）であるイッテルビア安定化ジルコニア（ＹｂＳＺ）などを用いてもよい。
母材３２として、アルミナ・シリカ系酸化物ＣＭＣを適用した場合、このアルミナ・シリカ系酸化物ＣＭＣの熱膨張率が６×１０−６／Ｋであり、トップコート３４の熱膨張率が１０×１０−６／Ｋであることから、ボンドコート３３のコーティング材としての粗粒セラミックス及び微粒セラミックスは、熱膨張率が８×１０−６／Ｋとその中間にあるアルミナ系粉体（Ａｌ２Ｏ３）とする。
また、母材３２として、純アルミナ系酸化物ＣＭＣを適用した場合、このアルミナ系酸化物ＣＭＣの熱膨張率が８×１０−６／Ｋであり、トップコート３４の熱膨張率が１０×１０−６／Ｋであることから、ボンドコート３３のコーティング材としての粗粒セラミックス及び微粒セラミックスは、熱膨張率が９×１０−６／Ｋとその中間にあるアルミナ系粉体（Ａｌ２Ｏ３）及びジルコニア系粉体（ＹＳＺ）の混合物とする。この場合、粗粒セラミックスとしてアルミナ系粉体及びジルコニア系粉体を適用し、微粒セラミックスとしてアルミナ系粉体を使用したり、粗粒セラミックスとしてジルコニア系粉体を適用し、微粒セラミックスとしてアルミナ系粉体を使用したり、粗粒セラミックスとしてアルミナ系粉体を適用し、微粒セラミックスとしてアルミナ系粉体及びジルコニア系粉体を使用したりするなど、その組み合わせは多種多様である。但し、アルミナ系粉体とジルコニア系粉体の体積比率は、１：１が望ましい。
更に、第１ボンドコート４１は、粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが予め設定された第１比率で混合された第１コーティング材が焼結されて形成されている。第２ボンドコート４２は、粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが第１比率より粗粒比率が低い第２比率で混合された第２コーティング材が焼結されて形成されている。そのため、ボンドコート３３は、粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含むコーティング材が表面側に向けて粗粒比率が低くなるように焼結されて形成されたものとなる。ここで、粗粒セラミックスと微粒セラミックスとの関係は、粗粒セラミックスの粒子径が微粒セラミックスの粒子径の５倍以上であり、７倍以上が好ましい。
即ち、ボンドコート３３を形成する場合、酸化物系ＣＭＣにより構成される母材３２上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含むスラリーを表面側に向けて粗粒比率が低くなるように付着させ、スラリーの乾燥後、母材３２を熱処理して焼結される。
この場合、ボンドコート３３は、第１ボンドコート４１と第２ボンドコート４２とから構成されることから、母材３２上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが第１比率で混合された第１スラリーを付着させ、第１スラリーの乾燥後、第１スラリーの表面に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが第２比率で混合された第２スラリーを付着させ、第２スラリーの乾燥後、熱処理して焼結する。
具体的に、第１スラリーは、粗粒比率（第１比率）が６０％〜８０％の範囲があることが望ましく、第２スラリーは、粗粒比率（第１比率）が４０％〜６０％の範囲にあることが望ましい。
図４は、コーティング材の粗粒比率に対する収縮率を表すグラフで、図５は、コーティング材の粗粒比率に対する相対密度を表すグラフである。図４にて、Ａは、コーティング材を１２００℃で熱処理した場合の収縮率であり、Ｂは、コーティング材を１３００℃で熱処理した場合の収縮率である。図５にて、Ａは、コーティング材を１２００℃で熱処理した場合の相対密度であり、Ｂは、コーティング材を１３００℃で熱処理した場合の相対密度であり、Ｃは、コーティング材の熱処理前の相対密度である。ここで、コーティング材は、粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含むスラリーである。また、相対密度とは、充填率である。
図４に示すように、コーティング材を１２００℃で熱処理した収縮率Ａ及びコーティング材を１３００℃で熱処理した収縮率Ｂのいずれも、粗粒比率が大きく（微粒セラミックスに対して粗粒セラミックスが多く）なると、収縮率が低下する傾向を表している。そして、一般に、セラミックスを熱処理してコーティング膜を形成する場合、収縮率を５％以下とすることが望ましく。３％以下にすることが最適である。今回の実験では、粗粒比率が４０％以上の範囲で収縮率が５％以下となり、粗粒比率が５０％〜８０％の範囲で収縮率が最小値となった。
図５に示すように、コーティング材の熱処理前の相対密度Ｃは、粗粒比率が大きく（微粒セラミックスに対して粗粒セラミックスが多く）なると相対密度が上昇し、所定の粗粒密度を超えると相対密度が低下する傾向を表している。また、コーティング材を１２００℃で熱処理した相対密度Ａ及びコーティング材を１３００℃で熱処理した収縮率Ｂのいずれも、粗粒比率が大きく（微粒セラミックスに対して粗粒セラミックスが多く）なると相対密度が低下する傾向を表している。今回の実験では、コーティング材を熱処理する前及び熱処理した後の相対密度は、粗粒比率が５０％〜８０％の範囲で最も高くなった。
ボンドコート３３は、母材３２の熱膨張率とトップコート３４の熱膨張率の中間位置の熱膨張率のコーティング材が必要である。これは、ボンドコート３３を形成するコーティング材を熱処理したり、エンジンを起動・停止したりするとき、熱膨張差による熱応力を緩和させる必要があるからである。一方で、セラミックスの粗粒比率が高くなると、粒子間の結合力が弱くなり、ボンドコート３３の表面にコーティング材を溶射するとき、トップコート３４がボンドコート３３と共に剥離してしまうおそれがある。
そのため、本実施形態では、ボンドコート３３を、母材３２側の第１ボンドコート４１とトップコート３４側の第２ボンドコート４２とから構成する。そして、第１ボンドコート４１におけるコーティング材のセラミックスの粗粒比率を６０％〜８０％の範囲とし、第２ボンドコート４２におけるコーティング材のセラミックスの粗粒比率を４０％〜６０％の範囲としている。なお、望ましくは、第１ボンドコート４１におけるコーティング材のセラミックスの粗粒比率を６５％〜７５％の範囲とし、第２ボンドコート４２におけるコーティング材のセラミックスの粗粒比率を４５％〜５５％の範囲とする。
ここで、本実施形態のコーティング法について、図３により詳細に説明する。
本実施形態のコーティング法において、図３に示すように、ステップＳ１１にて、スラリーコーティング材を作製する。具体的に、粗粒セラミックスとしてのアルミナ系粉末（平均粒径３．４μｍ）と、粗粒セラミックスとしての凝集粉末（平均粒径０．７μｍ）と、微粒セラミックスとしてのアルミナ系粉末（平均粒径０．１６μｍ）を利用する。そして、第１スラリーとして、粗粒アルミナ系粉末と粗粒凝集粉末と微粒アルミナ系粉末を、体積比４：３：３（粗粒比率７：３）で混合し、焼結助剤として硝酸塩（ＭｇＯ）を５００ｍａｓｓｐｐｍ添加し、粉末濃度を２５体積％とし、蒸留水を媒体として数時間（例えば、４時間）ボールミル混合を行う。このとき、分散剤として、ポリカルボン酸アンモニウム塩を微量添加する。また、第２スラリーとして、粗粒アルミナ系粉末と粗粒凝集粉末と微粒アルミナ系粉末を、体積比３：２：５（粗粒比率５：５）で混合し、焼結助剤として硝酸塩（ＭｇＯ）を５００ｍａｓｓｐｐｍ添加し、粉末濃度を２５体積％とし、蒸留水を媒体として数時間（例えば、４時間）ボールミル混合を行う。このとき、分散剤として、ポリカルボン酸アンモニウム塩を微量添加する。
ステップＳ１２にて、ボンドコーティング第１層（第１スラリー付着）を製膜し、ステップＳ１３にて、ボンドコーティング第２層（第２スラリー付着）を製膜する。具体的に、スラリーコーティングは、ディップコーティング装置を用いる。即ち、母材３２となる酸化物ＣＭＣを第１スラリーの溶液中に所定速度で浸漬し、所定時間浸漬させた後、所定の速度で引き上げることで、母材３２の表面にボンドコーティング第１層を製膜する。そして、母材３２の表面に形成されたボンドコーティング第１層が乾燥すると、同様に、ボンドコーティング第１層が形成された酸化物ＣＭＣ（母材３２）を第２スラリーの溶液中に所定速度で浸漬し、所定時間浸漬させた後、所定の速度で引き上げることで、ボンドコーティング第１層の表面にボンドコーティング第２層を製膜する。そして、母材３２の表面に形成されたボンドコーティング第２層を乾燥させる。
母材３２の表面にボンドコーティング第１層とボンドコーティング第２層が積層されると、ステップＳ１４にて、この母材３２を、例えば、電気炉に入れ、１２００℃で数時間（例えば、４時間）にわたって熱処理し、ボンドコーティング第１層とボンドコーティング第２層を焼結する。
ボンドコーティング第１層とボンドコーティング第２層が焼結されることで、母材３２の表面に第１ボンドコート４１と第２ボンドコート４２からなるボンドコート３３が形成されると、ステップＳ１５にて、プラズマ溶射装置を用いてトップコートを溶射により形成する。具体的に、溶射粉末に溶媒を混合した懸濁液をプラズマ溶射ガンに供給し、プラズマ溶射ガンが供給された懸濁液をプラズマジェットを用いて加熱・加速し、溶融またはそれに近い状態にして母材３２のボンドコート３３の表面に吹き付けることで、トップコート３４を形成する。
以下に、第１ボンドコート４１及び第２ボンドコート４２における粗粒比率や第２ボンドコート４２の有無に応じたコーティング膜の評価について説明する。図６は、ボンドコートにおける実施例と比較例との評価を表す表である。
図６に示すように、実施例１は、第１ボンドコート（ボンドコーティング第１層）４１及び第２ボンドコート（ボンドコーティング第１層）４２を有し、第１ボンドコート４１の粗粒比率が７０％（粗粒／微粒比７：３）に設定され、第２ボンドコート４２の粗粒比率が５０％（粗粒／微粒比５：５）に設定されたものである。実施例２は、第１ボンドコート（ボンドコーティング第１層）４１及び第２ボンドコート（ボンドコーティング第１層）４２を有し、第１ボンドコート４１の粗粒比率が７０％（粗粒／微粒比７：３）に設定され、第２ボンドコート４２の粗粒比率が４０％（粗粒／微粒比４：６）に設定されたものである。実施例３は、第１ボンドコート（ボンドコーティング第１層）４１及び第２ボンドコート（ボンドコーティング第１層）４２を有し、第１ボンドコート４１の粗粒比率が６０％（粗粒／微粒比６：４）に設定され、第２ボンドコート４２の粗粒比率が５０％（粗粒／微粒比５：５）に設定されたものである。
一方、比較例１は、第１ボンドコート（ボンドコーティング第１層）を有し、第１ボンドコートの粗粒比率が５０％（粗粒／微粒比５：５）に設定されたものである。比較例２は、第１ボンドコート（ボンドコーティング第１層）を有し、第１ボンドコートの粗粒比率が７０％（粗粒／微粒比７：３）に設定されたものである。比較例３は、第１ボンドコート（ボンドコーティング第１層）及び第２ボンドコート（ボンドコーティング第１層）を有し、第１ボンドコートの粗粒比率が７０％（粗粒／微粒比７：３）に設定され、第２ボンドコートの粗粒比率が３０％（粗粒／微粒比３：７）に設定されたものである。
実施例１，２，３は、いずれもボンドコート３３の成膜状況は良好（〇）であり、トップコート３４の成膜状況は良好（〇）であることから、コーティング膜３１の判定も良好（〇）となる。一方、比較例１は、ボンドコートの成膜状況として、立割れが発生して判定（△）となり、トップコートの成膜状況は形成直後は良好（〇）であったものの、数日後に剥離（×）が発生したことから、コーティング膜の判定も不良（×）となる。比較例２は、ボンドコートの成膜状況は良好（〇）であるが、トップコートの成膜状況は溶射中に剥離（×）が発生したことから、コーティング膜の判定も不良（×）となる。比較例３は、ボンドコートの成膜状況として、大きな立割れが発生して判定が不良（×）となり、トップコートの成膜状況は形成直後は良好（〇）であったものの、数日後に剥離（×）が発生したことから、コーティング膜の判定も不良（×）となる。
以上のようなコーティング膜の評価結果から、本実施形態のコーティング膜３１は、ボンドコート３３を、母材３２側の第１ボンドコート４１とトップコート３４側の第２ボンドコート４２とから構成し、第１ボンドコート４１におけるセラミックスの粗粒比率（第１比率）を６０％〜８０％の範囲と、第２ボンドコート４２におけるセラミックスの粗粒比率（第１比率）を４０％〜６０％の範囲としており、良好な耐熱性及び密着性を確保できる。即ち、第１ボンドコート４１は、粗粒セラミックスが多く含まれるため、粗粒セラミックスが母材３２の凹部に真空含浸することで侵入して焼結されることで、凹部を適正に修復すると共に焼結収縮により発生する応力が緩和される。一方、第２ボンドコート４２は、第１ボンドコート４１より粗粒セラミックスが少なくなることで、セラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高硬度となり、トップコート３４の形成時におけるエロージョンが抑制される。
このように本実施形態のコーティング法にあっては、酸化物系ＣＭＣにより構成される母材３２上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含むスラリーを表面側に向けて粗粒比率が低くなるように付着させるスラリー付着工程と、スラリーが付着された母材３２を熱処理してボンドコート３３を形成するボンドコート形成工程と、ボンドコート３３上にセラミックスを溶射してトップコート３４を形成するトップコート形成工程とを有する。
従って、ボンドコート３３は、スラリーの表面側に向けて粗粒比率が低くなるようにスラリーが付着される。そのため、母材３２側で粗粒セラミックスが多く含まれるものとなり、焼結収縮により発生する応力を緩和することができ、トップコート３４側で粗粒セラミックスが少なくなることで、セラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高硬度となり、トップコート３４の形成時におけるエロージョンを抑制することができる。その結果、コーティング膜の耐熱性及び密着性を向上することができる。
本実施形態のコーティング法では、スラリー付着工程は、母材３２上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが予め設定された第１比率で混合された第１スラリーを付着させる第１スラリー付着工程と、第１スラリーの表面に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが第１比率より粗粒比率が低い第２比率で混合された第２スラリーを付着させる第２スラリー付着工程とを有する。従って、母材３２側の第１ボンドコート４１とトップコート３４側の第２ボンドコート４２との粗粒比率を容易に異ならせることができ、コーティング作業の簡素化及び低コスト化を図ることができる。
本実施形態のコーティング法では、第１スラリーは、粗粒比率が６０％〜８０％の範囲にあり、第２スラリーは、粗粒比率が４０％〜６０％の範囲にある。従って、第１ボンドコート４１と第２ボンドコート４２の各粗粒比率を最適値に設定することで、ボンドコート３３全体で焼結収縮により発生する応力を緩和することができると共に、セラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高硬度となり、トップコート３４形成時におけるエロージョンを抑制することができる。
本実施形態のコーティング法では、酸化物系ＣＭＣは、アルミナ・シリカ系酸化物系セラミックマトリックス複合材料であり、粗粒セラミックスと微粒セラミックスは、アルミナ系粉体である。従って、ボンドコート３３のコーティング材として、母材３２とトップコート３４の各熱膨張係数の中間位置にある熱膨張係数のセラミックスを適用することとなり、焼結時に発生する熱応力の影響を低減することができる。
本実施形態のコーティング法では、酸化物系ＣＭＣは、純アルミナ系酸化物系セラミックマトリックス複合材料であり、粗粒セラミックスと微粒セラミックスは、アルミナ系粉体及びジルコニア系粉体である。従って、ボンドコート３３のコーティング材として、母材３２とトップコート３４の各熱膨張係数の中間位置にある熱膨張係数のセラミックスを適用することとなり、焼結時に発生する熱応力の影響を低減することができる。
本実施形態のコーティング法では、トップコート３４は、ジルコニアアブレーダブルトップコートである。従って、トップコート３４が自己摩耗型衝撃緩衝機能を得ることとなり、周辺部材との接触時にトップコート３４が摩耗して衝撃力を緩和することができ、周辺部材の摩耗や破損を防止することができる。
また、本実施形態のコーティング膜にあっては、酸化物系ＣＭＣにより構成される母材３２上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含むコーティング材が表面側に向けて粗粒比率が低くなるように焼結されたボンドコート３３と、ボンドコート３３上にセラミックスが溶射されて形成されたトップコート３４とを備える。従って、ボンドコート３３は、母材３２側で焼結収縮により発生する応力を緩和することができ、トップコート３４側でセラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高硬度となり、トップコート３４形成時におけるエロージョンを抑制することができる。その結果、コーティング膜３１の耐熱性及び密着性を向上することができる。
本実施形態のコーティング膜では、ボンドコート３３は、粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが予め設定された第１比率で混合された第１コーティング材が焼結された第１ボンドコート１４１と、第１ボンドコート４１の表面に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが第１比率より粗粒比率が低い第２比率で混合された第２コーティング材が焼結された第２ボンドコート４２とを備える。従って、母材３２側の第１ボンドコート４１とトップコート３４側の第２ボンドコート４２との粗粒比率を容易に異ならせることができ、コーティング作業の簡素化及び低コスト化を図ることができる。
また、本実施形態のタービンシュラウドにあっては、内面にコーティング膜３１が設けられる。従って、コーティング膜３１におけるボンドコート３３は、母材３２側で焼結収縮により発生する応力を緩和することができ、トップコート３４側でセラミックスにおける粒子間の結合力が高くなって高硬度となり、トップコート３４形成時におけるエロージョンを抑制することができる。その結果、コーティング膜３１の耐熱性及び密着性を向上することができ、タービンシュラウドの耐久性を向上することができる。
なお、上述した実施形態では、母材３２側の第１ボンドコート４１とトップコート３４側の第２ボンドコート４２とボンドコート３３を構成し、第１ボンドコート４１におけるセラミックスの粗粒比率より第２ボンドコート４２におけるセラミックスの粗粒比率を低く設定したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、ボンドコートを３層以上にしてもよく、また、ボンドコートの粗粒比率が母材３２側からトップコート３４側に向けて徐々に低くなるようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、母材をタービンシュラウドとしたが、この構成に限定されるものではない。
１１ 本体ケーシング
１２ 燃焼器ライナ
１６ シュラウド
３１ コーティング膜
３２ 母材
３３ ボンドコート
３４ トップコート
４１ 第１ボンドコート
４２ 第２ボンドコート

Claims (10)

  1. 酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含む粗粒比率が４０％以上のスラリーを表面側に向けて粗粒比率が低くなるように付着させるスラリー付着工程と、
    前記スラリーが付着された前記母材を熱処理してボンドコートを形成するボンドコート形成工程と、
    前記ボンドコート上にセラミックスを溶射してトップコートを形成するトップコート形成工程と、
    を有し、
    前記酸化物系セラミックマトリックス複合材料は、アルミナ・シリカ系酸化物系セラミックマトリックス複合材料であり、前記粗粒セラミックスと前記微粒セラミックスは、アルミナ系粉体である、
    ことを特徴とするコーティング法。
  2. 酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含む粗粒比率が４０％以上のスラリーを表面側に向けて粗粒比率が低くなるように付着させるスラリー付着工程と、
    前記スラリーが付着された前記母材を熱処理してボンドコートを形成するボンドコート形成工程と、
    前記ボンドコート上にセラミックスを溶射してトップコートを形成するトップコート形成工程と、
    を有し、
    前記酸化物系セラミックマトリックス複合材料は、純アルミナ系酸化物系セラミックマトリックス複合材料であり、前記粗粒セラミックスと前記微粒セラミックスは、アルミナ系粉体及びジルコニア系粉体である、
    ことを特徴とするコーティング法。
  3. 酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含む粗粒比率が４０％以上のスラリーを表面側に向けて粗粒比率が低くなるように付着させるスラリー付着工程と、
    前記スラリーが付着された前記母材を熱処理してボンドコートを形成するボンドコート形成工程と、
    前記ボンドコート上にセラミックスを溶射してトップコートを形成するトップコート形成工程と、
    を有し、
    前記トップコートは、ジルコニアアブレーダブルトップコートである、
    ことを特徴とするコーティング法。
  4. 前記スラリー付着工程は、
    前記母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが予め設定された第１比率で混合された第１スラリーを付着させる第１スラリー付着工程と、
    前記第１スラリーの表面に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが前記第１比率より粗粒比率が低い第２比率で混合された第２スラリーを付着させる第２スラリー付着工程と、
    を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のコーティング法。
  5. 前記第１スラリーは、粗粒比率が６０％〜８０％の範囲にあり、前記第２スラリーは、粗粒比率が４０％〜６０％の範囲にあることを特徴とする請求項４に記載のコーティング法。
  6. 酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含む粗粒比率が４０％以上のコーティング材が表面側に向けて粗粒比率が低くなるように焼結されたボンドコートと、
    前記ボンドコート上にセラミックスが溶射されて形成されたトップコートと、
    を備え、
    前記酸化物系セラミックマトリックス複合材料は、アルミナ・シリカ系酸化物系セラミックマトリックス複合材料であり、前記粗粒セラミックスと前記微粒セラミックスは、アルミナ系粉体である、
    ことを特徴とするコーティング膜。
  7. 酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含む粗粒比率が４０％以上のコーティング材が表面側に向けて粗粒比率が低くなるように焼結されたボンドコートと、
    前記ボンドコート上にセラミックスが溶射されて形成されたトップコートと、
    を備え、
    前記酸化物系セラミックマトリックス複合材料は、純アルミナ系酸化物系セラミックマトリックス複合材料であり、前記粗粒セラミックスと前記微粒セラミックスは、アルミナ系粉体及びジルコニア系粉体である、
    ことを特徴とするコーティング膜。
  8. 酸化物系セラミックマトリックス複合材料により構成される母材上に粗粒セラミックスと微粒セラミックスを含む粗粒比率が４０％以上のコーティング材が表面側に向けて粗粒比率が低くなるように焼結されたボンドコートと、
    前記ボンドコート上にセラミックスが溶射されて形成されたトップコートと、
    を備え、
    前記トップコートは、ジルコニアアブレーダブルトップコートである、
    ことを特徴とするコーティング膜。
  9. 前記ボンドコートは、
    粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが予め設定された第１比率で混合された第１コーティング材が焼結された第１ボンドコートと、
    前記第１ボンドコートの表面に粗粒セラミックスと微粒セラミックスとが前記第１比率より粗粒比率が低い第２比率で混合された第２コーティング材が焼結された第２ボンドコートと、
    を備えることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれか一項に記載のコーティング膜。
  10. 内面に請求項６から請求項９のいずれか一項に記載のコーティング膜が設けられることを特徴とするタービンシュラウド。
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